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主星带伴随小卫星SAR系统ATI慢动目标测速精度分析.pdf

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独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名 酱暇 日期如哆年f月夕13关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名 孝坂 导师签名至趋堕堡日期如刁年f月7 El第一章绪论1.1研究背景第一章绪论1.1.1分布式星载SAR系统随着卫星应用需求的日益发展,特别是越来越多的飞行任务已经不能仅靠单颗卫星来完成,于是由多颗卫星组成的卫星编队成为了许多航天任务的首选方案。从九十年代后期开始,分布式卫星distributedsatellites,也称为编队飞行卫星群ationflyingsatellites或伴随卫星群clusterofcom-panionsatellites,这一类新的卫星组网技术日益受到重视。分布式卫星SAR系统根据雷达天线载体的不同,主要分为机载SAP,系统和星载SAR系统【1】【2l。分布式星载SAR系统是近年提出的一个新概念,基本上还处于一个理论研究和试验的阶段。分布式星载SAR系统由一组群聚卫星协同工作完成一颗单一卫星的功能。这种群聚组合可扩展SAR系统的用途,增加灵活性和提高可靠性。分布式卫星组合还可提供更长的有效基线和更多的有效基线组合,进一步提高潜在性能,还可通过切换或增加群聚组合中的新单元,支持特有的自适应性,提高生存能力和功能提升,而且还可进行规模生产和降低发射费用,因而可大幅度降低卫星的运行成本【肌。分布式星载SAR系统具有一系列不可取代的优异性能【3】1可以在不损失空间分辨力和保证信噪比条件下提高SAR图像的等效视数,有效的抑制相干斑噪声i2可以在不损失空间分辨力条件下,实现高分辨率和宽测绘带成像;3可实现单次飞跃同一观察区的干涉SAR模式,极大的改进了切航迹干涉SAR的测高精度和沿航迹干涉SAR的测速精度,以及对慢动目标进行检测和显示,这是单颗小卫星难于实现的;4可以同时执行多种工作模式的任务,这也是单颗小卫星难于实现的。分布式星载SAR系统采用多个空间位置互相分离的平台载体,其核心思想是把发射机和接收机空间分离,不仅具备常规SAR系统的特性高分辨力、大时带积、强相干积累、低副瓣等,更凭借接收机和发射机的空间分离,可实现接收端的无源化,具有极强的隐蔽性,增强了反隐身能力Is].分布式星载SAR系统最大的优点是可以实现灵活的多种基线组合。由于基线可以灵活配置,使得分布式SAR不作较大改动就可以完成多种工作模式,因而具电子科技大学硕士学位论文备多种工作模式能力,可以工作在带状SAR成像工作模式、宽测绘带SAR成像工作模式、切航迹干涉SAR弭hlsAR工作模式、沿航迹干涉SARAT-InSAR工作模式、侧视阵列SAR成像工作模式和前视SAR成像工作模式掣31。分布式星载SAR系统一般由若干颗伴随小卫星和一颗中心卫星编队组成。中心卫星可以存在称为实中心卫星,亦可称为主星,也可以不存在称为虚中心卫星,亦可称为虚拟卫星。编队飞行的各伴随小卫星互相协同工作以实现单颗卫星的功能,利用编队飞行技术,能使整个系统性能得到突破性改善,并且每颗卫星的结构及星上电子设备相同,便于批量生产嘲。主星带伴随小卫星SAR系统是分布式星载SAR系统的一种重要实现形式之一,主星由传统的在轨单星SAR系统构成,负责发射雷达脉冲信号,若干个小卫星以一定的分布形状编队飞行在主星前或后一定距离处,同时接收从地面目标返回的信号,每颗伴随小卫星都相当于主星的令SAP.接收通道。主星带伴随小卫星SAR系统既可以提供可变化的切航迹干涉基线,也可以提供可变化的沿航迹干涉基线,而且只需发射装载接收设备的小卫星,成本较低是其主要优点之一。本文的主要研究内容都是基于主星带伴随小卫星SAR系统,以后本文提及的分布式星载SAR系统均是指主星带伴随小卫星SAR系统。1.1.2运动目标检测和成像在现代战争中,雷达已经成为必备的军用装置,地面慢速目标成像是军用机载雷达迫切需要具备的一项功能。因为雷达要探测的目标通常是运动着的目标,但是目标常常被周围较强的背景所淹没,这时惩要检测目标就非常困难。尤其是对于慢速运动目标的检测就更加的困难。目前,慢速运动目标的研究是运动目标检测成像技术的难点之一,其主要方法有相位中心偏置天线Displaced Phase Center Antenna,DPCA技术、空时自适应处理Space-Time Adaptive Processing,STAP技术和沿航迹干涉Along-trackInterferometrie,ATI技术等等。相位中心偏置天线Displaced Phase CenterAntenna,DPCA技术是多通道SAR动目标检测的一个典型的方法【搠,上个世纪80年代就已经开始使用。DPCA技术使用两个或多个相位中心,通过移位相位中心,补偿掉由于载机运动带来的多酱勒展宽,使得杂波多普勒频谱带宽变窄,进而能够检测出运动目标,尤其是被主瓣杂波频谱遮挡的慢速运动目标。由于使用该方法时载机速度、脉;申重复频率和相位中心问距之间必须满足严格的条件,使其在实际应用中受到了一定的限制。空时自适应处理Space-Tune Adaptive Processing,STAP技术是美国著名的科2第一章绪论学家Brmman和Reed教授在20世纪70年代初提出的概念【20】,就但是由于多种技术的限制,该理论与技术曾一度发展缓慢,直到最近十多年才迅速发展起来。STAP采用了空间与时间二维联合的自适应处理方式,具有很大的灵活性,能有效的抑制杂波与干扰。STAP主要应用于机载预警雷达中抑制强杂波和多种干扰。目前,STAP理论已逐步应用于其它体制的雷达,如SAR、星载雷达、舰载雷达等。但是由于在实际工程实现时相当困难,使其应用也受到了一定的限制。沿航迹干涉ATD方法最早由R.M.Goldstein和H.A.Zebkcr提出【36】,该方法采用沿航迹放置的两个或多个相位中心,时间校准后,通过计算干涉相位进行动目标检测。还有一种多孔径沿航迹干涉SAR动目标检测和成像技术,该方法采用多副同步天线,将多路通道回波信号同时处理,通过对各通道相位补偿来消除地杂波。它不仅能够用于海洋流速测量、海上动目标速度检测等,还能应用于地面动目标的检测,尤其是慢速运动目标的检测。沿航迹干涉ArI的基本思想是在沿航迹方向上安放一定间距的两副天线,两天线以极微小差别的方位水平角上在同一时间观察同一目标,并接收回波信号,经分别处理形成两幅SAR复图像,将获得的两幅SAR复图像进行干涉处理后,得到干涉幅度相位图,由这样两幅SAR复图像所得到的幅度相位图与目标的径向运动信息有关,利用干涉相位信息能提取地表运动目标的径向速度分量信息,实现运动目标的检测和成像【3l【引[91。本文的慢动目标测速精度研究内容都是基于ATI技术。1.2研究动态1.2.1国内外分布式星载SAR系统研究动态目前世界各国都在发展自己的分布式星载SAR系统,研制工作主要表现为两种思路,一是多发多收模型,比较有代表性的是美国空军实验室的TechSat-21,二是主星带伴随小卫星模型,比较有代表性的是欧洲国家主要是法国在研的Interfcrometrie Cartwheel。其他的分布式星载SAR系统,有德国的干涉钟摆Intcrfcromctric Pendulum概念,加拿大的RadarSat-2/3计划,澳大利亚工程卫星JAEsat,俄罗斯和澳大利亚联合研制的科学试验卫星Kolibri.2000和南非的第二代地球观测卫星suNsAT 2等。分布式星载SAR系统的研制最早是在美国开始的。1995年,美国空军空间技术小组发起了对分布式小卫星完成空间任务的技术挑战和优势的探索【lo】。3电子科技大学硕士学位论文1997年美国空军实验室明确了分布式小卫星的空间任务,并于1998年提出了TeehSat-21计划,主要用于研究分布式星载SAR系统中的各个技术难点【12】。1998年,法国宇航局的Massonnet等提出了干涉转轮InterferometrieC矗twheel,ICW的概念,讨论了干涉转轮的空间基线,分析了天线的指向和定位问题,提出了对系统时钟的要求,分析了图像的模糊度,并研究了提高空间分辨率的成像处理方法【25】【2引。1999年,为了解决ICW中基线的耦合问题,Moreia等提出了InterferometricPendulumIPD系统,它通过采用不同的轨道倾角实现了沿轨迹和垂直轨迹方向基线的解耦,有利于沿轨迹基线干涉任务的实现,并可简化基线的设计过程【34】。2000年,Fiedler和Krieger等提出了综合ICW和IPD系统特性的InterferometrieCarPeICP,比较了这三种系统的基线特点,分析了它们的系统性能[361。分布式星载SAR系统主要是利用卫星编队飞行技术,馊多颗卫星协同工作,因此,编队飞行是实现分布式卫星的重要前提条件之一,下面简要介绍了当前卫星编队飞行的研究现状。1997年3月,美国航宇局的“深空3号”进入概念研究阶段,深空3号主要用来验证高精度的编队飞行技术的可行性,它在卫星上可以完全自主地确定编队队形,其编队飞行的位置测量精度可达到1厘米,姿态测量精度可达到l角分。1999年2月,深空3号更名为“空间技术ST3”,即“星光计划”【21。2000年11月21日,美国航宇局NASA成功发射地球观测.1EarthObserving-1与陆地卫星.7进行了卫星编队飞行,这标志着由两颗卫星组成的编队飞行得到了验证。ll川2000年7月至8月,团星2由俄罗斯联盟号火箭分两次成功发射,团星2是欧空局于1983年采纳了法国科学家的“4颗卫星的编队飞行来进行磁层空间探测计划”的组成部分,引起了国际空间物理学界的高度关注,被认为是划时代的科学探测计划12”。A-Train卫星编队项目主要由法国国家航天研究中心和美国航空航天局合作实施,加拿大航天局也参与其中。处于领头位置的是美国的“阿卡”卫星,于2002年5月发射升空,位于其后的是“云卫星”和“卡里普索”卫星,将于2006年发射,二者间隔不超过15秒飞行距离,可以几乎同一时间对同一区域进行观测,随后是2004年发射的法国“太阳伞”卫星,美国于2004年7月发射的“奥拉”卫星位于卫星编队的最后边。计划于2008年发射的美国“轨道二氧化碳观测台”卫星,待升空后也将加入A-Train卫星编队的行列,届时将排在编队的最前列。15~4第一章绪论20年以后还会有新一代系列A-Train卫星上岗接班。【帅】预计在2011年左右,由欧空局和美国航宇局共同承担的激光干涉仪空间天线UsA计划将付诸实施,该计划由3个飞行器组成,3个飞行器在空间形成等边三角形的编队队形【舯】。国内主要是电子科技大学从2000年开始进行了分布式卫星系统的概念探讨,提出了空天一体SAR模式,并且在回波信号分析、成像方式、工作模式、轨道设计、基线测量、姿态影响和总体方案设计等方面作了很多的工作,积累了大量的经验,尤其在ATI模式测速精度和CT-InSAR模式测高精度方面进行了大量的探索研究。北京航空航天大学星载SAR课题组在星载干涉SAR技术和机载动目标检测成像多年研究的基础上,针对分布式卫星SAR系统的数据处理、轨道设计和星座设计方面展开了大量的研究工作。中科院电子所在分布式卫星SAR系统干涉成像、参数优化、空间同步和多基线数据融合方面进行了一些研究。近年来,国防科技大学在分布式星载SAR系统卫星编队构型设计、姿态控制、动目标检测和测高精度方面进行了研究,取得了一些成果。此外,哈尔滨工业大学在小卫星的一体化设计技术方面取得了一定的研究成果。总的来说,卫星编队飞行技术已经得到了可行性论证并付诸实施,但是分布式星载SAR的系统设计研究还处于仿真试验阶段,国内外研究者都提出了一些分布式卫星的模型概念,但都还没有付诸实施。1.2.2国内外运动目标检测和成像研究动态SAR动目标检测和成像研究开始于1971年,美国科学家R.ICRaney首先研究了机载SAR对地面运动目标进行检测和成像的可能性【6】。1984年至1987年,A.Freeman分析了运动目标的频谱和静止地杂波频谱的不同,提出了用前置滤波法对运动目标进行检钡9和成像f4】。1990年,Barbafossa提出了用维纳一维勒分布WVD的方法检测运动目标,由此估计出的相位历史对高分辨率成像非常有用。在这基础上,人们提出了消除WVD交叉项的各种方法,比如采用扩展WVD的方法、引入霍夫变换的WVD.HT法等,基本上都是以牺牲一定的时频聚集性为代价来达到对交叉项的抑制【15】。1992年H.Chen等人提出估计目标径向速度造成的频移的改进方法,从而实现对目标的更好定位【I”。1994年至1995年,J.R.Morvira等人提出了用RefleetivityDisplacementRDM来检测运动目标,并估计其运动参数的理论【191。1998年,R.EPerry等提出了用Keystone变换来消除目标回波中的线性位移项,电子科技大学硕士学位论文继而消除高次项,从而获得运动目标图像的方法【25】。1999年,Genyuan等人提出改变雷达平台的速度来解决动目标方位向移位的方法【刎。2001年,J.R.Fienup提出了一种通过SAR图像检测具有方位向速度或者径向加速度的目标的方法,又可称为截断平均方法ShearAverage口o】。对于慢动目标的检测与测速,ATI技术具有非常明显的优势,由于其相对宽松的检测条件,一直是大家研究的重点,特别是近年来得到了广泛的研究。上个世纪80年代美国NASA就在0V990载机上安装第二副工作在L波段的天线,验证了沿航迹干涉的理论。随后ATI得到了进一步的发展,在多个实际系统中得到使用【51。1987年,Goldstein R M进行了使用沿航迹干涉合成孔径雷达测量目标径向速度的实验,他们采用两个水平分开的天线同时接受移动海面的背景信号,分别对两路信号做成像处理得到两幅SAR复图像,然后将两幅SAP,复图像作干涉处理,获得不同点处的相位差值。他们指出目标的径向运动导致的相位差,在数值上正比于目标的径向速度,因此目标的运动能够被检测出来【141。1991年,JPL的AIRSAR得到了墨西哥海峡双基线干涉数据,显示和测量了通过该海峡的潮汐流动【24】。1995年,美国预警飞机E一8A上装备的联合监视目标攻击雷达系统JSTARS具有INSAR功能,在对地面动目标检测和成像上显示出了巨大的能力。在高分辨率雷达图像上既能显示地面静止目标,也可以显示动目标。海湾战争期间,伊拉克部队及其装备的动态调动情况在合成后的高分辨雷达图像上清晰可见,被多国部队准确掌握,在战时军事侦察中发挥了重要的作用【20】。1996年,加拿大CCRS将InSAR技术应用于军事的搜寻与救援工作,近年来,加拿大军事防御研究小组研究未来将利用RADARSAR-2的标准成像模式和精细成像模式下的SAR数据,开展ATI模式下的地面动目标的监测GMTI【36】。德国预计2006年发射的TerraSAR-X,具有条带、聚束和扫描等工作模式,分辨率在l米以下,采用子孔径方法实现沿航迹干涉动目标检测【231。近几年来ATI技术使用越来越广泛,比如美国的Shuttle Radar TopographyMissionsRlM,德国的TerraSAR-X、加拿大的RadarSat-2以及意大利空间局开发的第二代COSMO.SkyMed SAR等都采用ATI方法。近几年来,分布式星载SAP,系统ATI动目标检测成像技术逐渐发展起来,其中以美国的Techsat21和法国CNES的Cartwheel为代表。国内发展也较快,电子6第一章绪论科技大学、北京航空航天大学、国防科技大学、西安电子科技大学、中科院电子所以及电子科技集团38所等单位一直在积极开展分布式星载SAR系统ATI动目标检测和成像的研究,研制专门的动目标检测和成像系统,对于涉成像回波模型、成像算法、杂波抑制、测速误差分析以及多通道数据融合等方面进行了研究。总的来说,分布式星载SAR系统ATI地面动目标检测技术还处于仿真验证阶段。1.3本文的主要内容及结构安排本文的主要内容及结构安排第一章绪论。本章介绍了本论文的研究背景,简述了国内外分布式星载SAR系统和运动目标检测与测速的研究动态。第二章主星带伴随小卫星ATI测速模型分析。本章研究了沿航迹干涉的基本测速模型,建立了主星带伴随小卫星ATI测速模型,并进一步建立了动目标具有方位向速度分量的测速模型,通过仿真,得到了干涉幅度相位图和运动目标的径向速度分量。分析比较了K分布杂波和噪声干扰下的运动目标检测情况,结果表明杂波干扰的影响较大,噪声干扰的影响相对较小。第三章主星带伴随小卫星ATI运动参数误差分析。本章主要分析了ATI的两个重要运动参数干涉基线和干涉相位对测速误差的影响,通过仿真,得到了相应的误差曲线图和一些有用的结论。第四章地球自转效应与卫星环绕影响下的ATI测速精度分析。基于主星带伴随小卫星ATI模型,本章详细分析了地球自转效应与卫星环绕对干涉基线和测速精度的影响,建立了相应的干涉基线修正模型和测速误差修正模型,通过仿真,得到了基线误差曲线图和测速误差曲线图。结果表明卫星环绕对测速精度的影响较大,地球自转效应的影响相对较小。第五章卫星姿态变化影响下的ATI测速精度分析。基于主星带伴随小卫星ATI模型,本章详细分析了卫星姿态变化,即俯仰、偏航、横滚,对干涉基线、干涉相位和测速精度的影响,建立了相应的干涉基线修正模型、干涉相位修正模型和测速误差修正模型,通过仿真,得到了基线误差曲线图、相位误差曲线图和测速误差曲线图。结果表明卫星横滚对测速精度的影响较大,卫星偏航和俯仰的影响相对较小。第六章结束语。7电子科技大学硕士学位论文2.1引言第二章 主星带伴随小卫星ATI测速模型分析沿航迹干涉Along Track Interferometric,ATI是分布式星载SAP,系统的主要工作模式之一,主要用于测量径向的微小偏移量,运动目标的径向速度分量与这些偏移量有关,因此,ATI主要用于地面或海面慢速运动目标的径向速度的测量,在军事上和科学上有很大的应用价值【2】{31。ATI系统的研制工作主要表现为两种思路,一是多发多收ATI模型,比较有代表性的是美国空军实验室的TechSat-21,二是主星带伴随小卫星ATI模型,比较有代表性的是欧洲国家主要是法国在研的Interferometric Cartwheel。本文的研究内容都是基于主星带伴随小卫星ATI模型。2.2沿航迹干涉的基本测速模型沿航迹干涉ATI基本模型的正侧视几何示意图如图2.1所示,天线沿着雷达的航迹放置,图中Sl、S2分别表示两次运行的卫星位置,T为地表运动目标,其径向速度为vT,B为干涉基线长度, 口为点目标r的投射角, SAR平台的运动速度为Vg,五是雷达信号波长, △驴是回波干涉相位。S2运动目标T图21 ATI基本捌运模型昀正侧视几伺不葸倒如果用只x,r、最O,分别表示点目标r在两、昆中成像后的复图像中的复值,将两幅SAR复图像经过聚焦匹配后,相互匹配的SAR图像可表示为气∽,k五,le-Jq*1而rP一/H石7乃7 2-1F’x,,b“rI。一7唿z乃x,re-j4石7∞r△r 22式中x,r分异l表示方位向和距离向,见、矿分别为卫星两、昆测得的某目标第二章主星带伴随小卫星ATI测速模型分析T的回波相位且与斜距恐有关,、,,分别表示两次观测的场景的反射模式,五为雷达信号波长,舒是路径差。那么将研、昆的复图像经干涉后的图像为E“,巧v·巧五,[Flx,r“F2x,rle伽 23其中△口为对应点目标r在卫星研、s2中的回波相位差,即干涉相位,则有A妒arctanF,F;2-4其中表示复共轭。如果在两次观测的时间间隔之内场景没有变化,大气传播无变化并且两次反射特性相同即几可z,则有△妒吼一统竿“一眨冬△,2-5 如果斜距Rc远远大于干涉基线B,则有△,矿B·巧·sin02-6所慵 巧貉 2_7因此,我们可以从回波信号的干涉图像中提取相位信息,计算地面运动目标的径向速度分量,实现运动目标的检测和测速。该公式未考虑运动目标具有方位向速度分量时的测速影响,也未考虑地球自转、卫星环绕、卫星姿态变化等因素对测速精度的影响。ATI运动目标检测与测速的关键步骤有1图像匹配由于观测时两天线的投射角略有不同,两幅8AR图像不完全重叠,存在几何失真,使锝两幅SAP.图像的对应象索在她距上采样闯隔略有不同,因此在形成干涉图之前,必须使两幅图像精确地对准匹配,使获得的干涉相位信号具有较好的信噪比,否则,干涉相位信噪比低,不仅损失了正确的速度信息,而且使解相位过程的进行十分困难,甚至难以获取速度信息。图像匹配的准则一般有;最大互相关系数法、最大信噪比法、最小杂波函数法和最少留数点法。9
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